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光流控传感器及其应用


光流控学是一门综合了微流控学和光子学优势的新兴交叉学科。传统的微流控仅控制流体,而光流控除此之外同时对光进行控制,具有更高的操纵维度。光流控将微流和光学器件有机结合,两个部分互相影响,促生出非常强大的功能。因此,光流控学一经提出,便获得广泛关注,领域研究活跃,发展迅速。流体是光流控系统中的重要载体,可以携带运输各种微纳尺度级的物质通过光流控系统。光同流体及流体携带物质的相互作用,产生特定的光信号响应,基于此可以实现快速高效的检测。光流控芯片可以将传统检测学中复杂的化验过程缩小为1cm量级,从而实现检测的小型化。同时,其核心是利用光学结构对折射率的敏感度进行检测,具有较高的敏感度和精准度。这些特性使得光流控传感器广泛应用于环境检测及生化传感领域。 


AG电游网址利用光流控技术,通过流体对光的控制,可以实现很多诸如塔尔博特、离散衍射等经典的光学现象,以及光学隐身衣、光学转角器、光束分离器、光流控开关、光流控波导、光流控光纤等应用。此外,通过光及光学系统对流体的控制,可以实现如粒子分离、光镊、光微流阀、光微流泵等应用。通过光流控实现的应用可以看出,在光流控系统中,折射率的变化可以对光的传播产生很大的影响。而利用这一特性,可以将光流控系统利用到物质探测和生化传感领域,制成光流控传感器。光流控芯片的尺寸量级为厘米量级,而其中的沟道宽度通常只有几百微米,这意味着,仅用很少的样品量,便可以在光流控传感器中实现相应的分析和检测。另外,在光流控芯片中加入特定的光学结构后,可以令光产生谐振效应。此时光对系统中折射率的细微变化可以产生较大的响应,如特征波长的偏移,这使得光流控传感器具有很高的敏感度和精准度。光流控芯片采用软刻蚀工艺,使芯片具有较低的成本。此外,流体是各种微纳尺度粒子(包括化学大分子及生物分子)的天然载体,这些粒子可以随着流体直接流入光流控传感器中被分析和检测,一些传统检测中的复杂过程可以由一个光流控系统直接完成。这些特征使得光流控传感器具备高集成度、低成本的优势,同时其探测的敏感度强、精准度高,在物质检测和生化分析方面拥有巨大的潜力。


本文从光流控传感器的结构和原理入手,介绍不同类型的光流控传感器,同时阐述其特性及相应的应用。


基于光子晶体谐振腔的光流控传感器


在生化传感器领域中,高敏感性、低成本、高精准度的传感器一直是其领域内的追求。光子晶体谐振腔具有小巧而紧凑的结构特征,对光具有高度敏感性,使其适用于生化传感领域。光子晶体谐振腔具有较高的集成度,与光流控系统相结合时,其腔内的折射率由通过的流体决定。当流体发生变化,或者流体中携带的物质发生变化时,其腔内的折射率会发生相应改变,从而导致谐振状态的变化。这种变化对折射率十分敏感,因此基于光子晶体谐振腔的光流控传感器(图1)被广泛地应用于气体浓度测量、液体浓度测量和生化物质浓度的测量中。


图1 基于光子晶体谐振腔的光流控传感器应用


光子晶体谐振腔的基本原理


光子晶体谐振腔通常是在高折射率的电介质材料上制造出的周期性孔洞结构。光在这样的结构中传播时,会发生复杂的折射和反射。产生的折射光和反射光经过一系列干涉作用后,导致只有特定波长的光才能通过该结构,形成光子带隙。此时,一个腔内折射率的微小扰动即可使光子晶体谐振腔的带隙发生偏移。偏移频率的表达式可以根据电磁微扰理论得出,具体为



其中,ω和Δω分别表示频率及其偏移量;ε和Δε分别表示介电常数及其偏移量;n和Δn分别表示折射率及其偏移量;f为[0,1]之间的参数,表示在微扰区域电场能量的填充度。 


式(1)可以看出,折射率的变化会直接影响光子晶体谐振腔的光子带隙,利用折射率变化对带隙偏移产生的影响,可以制造出基于光子晶体谐振腔的传感器。 


光子晶体谐振腔在光流控传感器的具体应用


在光子晶体中,其谐振腔实际上就是在高折射率物质,如硅板上刻蚀出的规则孔洞,在孔洞中,流体可以随意传播。利用这一特性,通过与光流控技术的结合,可以制成检测气体或液体浓度的传感器。在一些具有有害气体的工作环境中,如矿井,随时监测有害气体的浓度是十分必要的。不同气体的折射率具有微小差异,而光子晶体对折射率的高度敏感性可以使其分辨出不同的气体。对于光流控技术下的光子晶体传感器,气体是实时流动于光流控芯片中的,因此,可以实现对气体浓度的实时检测。 


Sünner等将光子晶体的**行孔洞嵌入到光流控波导中,实现了可以辨别真空、氮气和六氟化硫气体的光流控传感器。当折射率改变尺度为10-4时,对于 1.5μm的入射光,可以令其特征波长偏移8pm,即单位折射率的敏感度为80nm。在这一基础上,Zhang等对其做了改进,使得可探测的折射率变化达到10-5,特征波长的偏移为51nm。这种将边缘孔洞集成到光流控波导中的方式对集成时的精准度要求较高,使得其在制备过程中存在较大的困难。Li等将光子晶体孔洞的中间列打通为一个矩形孔洞,然后将其集成到光流控波导中。这种集成方式对精准度的要求较低,可以实现折射率变化为10-4量级的探测,单位折射率变化引起的波长偏移为421nm。以上结构下的气体光流控传感器虽然可以分辨出不同的气体,但是无法针对特定的气体种类进行浓度测量。Zhang等利用穴番E分子浸润光子晶体孔洞,实现了针对甲烷气体的光流控传感器(图1(a)、图1(b)),测量的敏感度可以达到167.348nm,测量的精度可以达到6.9735×10-4。然而,同传统的气体传感器相比,基于光子晶体谐振腔的光流控气体传感器的敏感度和测量精度仍然相对偏低。 


相对于气体,液体之间的折射率差异更大,当液体通入光子晶体的孔洞时,对其带隙偏移影响更大。一些研究者通过对光子晶体的加工,制成不同的光子晶体结构,然后将其集成至光流控芯片内,实现了对液体折射率的测量。如将光子晶体的部分孔洞直接集成至光流控芯片中,抹除环形区域(或半环形)的孔洞,抹除一列光子晶体孔洞,抹除特定单个光子晶体孔洞等结构。而另一些研究者则通过采用光子晶体光纤的方式来实现对液体折射率的测量。Domachuk等将一个法布里-珀罗(F-P)腔置于两根准直的布拉格光纤之间,令液体通过F-P腔进行测量,如图1(c)、图1(d)所示。相应地,同为一维光子晶体光纤的长周期光纤光栅亦可应用于其中。利用光子晶体光纤的情况下,若想较好地提高敏感度和精准度,令液体样品直接流过光子晶体光纤的孔洞是十分重要的。Wu等利用一种C型光纤结构,令其分别置于光子晶体光纤两侧,作为液体的入口和出口。光子晶体光纤除了中心两个孔洞外,其余均被堵住。此结构具有很高的能量密度,可使敏感度提高70%。类似地,Zhang等将光纤两侧的边缘剥离一部分后,用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封住,封住的两侧打孔可以作为液体的入口和出口,此时液体在光子晶体光纤内将在被剥离的部分流动。这种方式可以令液体对腔内折射率产生充分的影响,进而制成高敏感度的液体折射率光流控传感器。


利用回音壁模式的光流控传感器


当微球型结构置于折射率相对较低的环境中时,在微腔内,大于临界角的光将会在微腔表面不断发生全反射,使光被束缚在微球表面。在不断沿着微腔表面传播时,若光满足一定干涉条件,就可以相互叠加增强,形成回音壁(WGM)模式。外界环境对微腔折射率的影响会导致微腔的模式发生改变,基于这一原理可制作基于WGM模式的传感器。在光流控系统中,可在直接制作微球结构中通入液体,通过液体产生的光响应变化,检测液体携带的生化物质。此外,微球型的结构还可以通过液体直接携带产生,也可以通过两相流产生微液滴的方式产生。相比纯固体结构需要微纳加工技术,在光流控系统中,微球的产生更加方便快捷。


WGM模式的基本原理


当一个WGM结构的壁尺寸很薄时,WGM将对壁内物质的折射率十分敏感,其特征波长同内部的折射率可以表达为



其中,λ为WGM的特征波长;r为WGM的半径;neff为腔体内部的等效折射率, m为WGM角动量的整数。


基于WGM模式的光流控传感器应用


从式(2)可以看出,内部折射率的微小改变将会对WGM的特征波长造成影响。基于这一原理,一系列设计精巧的WGM模式光流控传感器被设计出来。Li等利用两个回音壁互相耦合的模式,通过在其中一个回音壁中通入液体,实现了对牛血清蛋白(BSA)的检测(图2(a))。当携带生物分子的液体通过下方的回音壁时,其内部环境发生了相应变化,从而导致输出光的变化。Luo等和Scholten等利用薄壁毛细管形成回音壁实现了对有机物的测量。对于纯固体的回音壁传感器,生物分子由于尺寸小、重量轻、缺少运输煤质等原因,很难使固体回音壁的模式发生改变。而通过与光流控技术相结合,液体的引入为回音壁模式对生物分子的探测提供了条件。同时,WGM对其腔内折射率变化敏感度极高,这一特性为WGM对生物分子检测的精准度提供了保证。这种通过液体穿过WGM内部实现等效折射率调控的光流控传感器,在微观粒子和生化检测方面已取得丰富的研究成果。具体应用包括对体溶液折射率的检测、DNA分子检测(图2(b))、病毒颗粒检测(图2(c))、对单个纳米颗粒检测、农药检测、醇类蒸汽的检测、淋 巴细胞检测等。 


除了直接利用固体通过微纳加工技术制作WGM,然后嵌入到光流控系统中,光流控传感器还可以通过产生液滴(droplet)的方式直接在芯片内部产生WGM。这种方式可以省略微纳加工过程,将制作流程简化,同时芯片尺寸也会相应减小。Lee等利用硅油液体、罗丹明6G染料和LDS722染料通过光流控系统产生内部溶液为两种染料混合物的droplet,这种droplet具备球形结构及WGM的特性。由于WGM腔内的液体为染料,通过控制染料的性质,可以实现对染料携带的物质性质进行检测,在生化传感方面具有很大潜力。



图2 基于WGM模式的生化探测光流控传感器